現在、SiC 業界は 150 mm (6 インチ) から 200 mm (8 インチ) への変革を進めています。業界の急務である150mm、200mmの大型高品質SiCホモエピタキシャルウェーハの需要に応えるため、4H-SiCホモエピタキシャルウェーハ独自に開発した200mm SiCエピタキシャル成長装置を用いて、国産基板上での作製に成功しました。 150mmおよび200mmに適したホモエピタキシャルプロセスが開発され、エピタキシャル成長速度は60um/hを超えることができる。高速エピタキシーに対応しながら、優れたエピタキシャルウェーハ品質を実現します。 150mmと200mmの厚み均一性SiCエピタキシャルウェーハ1.5%以内に制御可能、濃度均一性は3%未満、致命的欠陥密度は0.3個/cm2未満、エピタキシャル表面粗さ二乗平均平方根Raは0.15nm未満、すべてのコアプロセス指標は業界の先進レベル。
炭化ケイ素(SiC)第3世代半導体材料の代表的なものの一つです。高い絶縁破壊電界強度、優れた熱伝導性、大きな電子飽和ドリフト速度、および強い放射線耐性という特徴を備えています。パワーデバイスのエネルギー処理能力を大幅に拡張し、高出力、小型、高温、高放射線、その他の極限条件のデバイスに対する次世代パワーエレクトロニクス機器のサービス要件を満たすことができます。スペースを削減し、消費電力を削減し、冷却要件を削減できます。新エネルギー自動車、鉄道輸送、スマートグリッドなどの分野に革命的な変化をもたらした。したがって、炭化ケイ素半導体は、次世代の高出力パワーエレクトロニクスデバイスをリードする理想的な材料として認識されるようになりました。近年、第3世代半導体産業の発展に対する国家政策の支援のおかげで、中国では150mm SiCデバイス産業システムの研究開発と構築がほぼ完了しており、産業チェーンの安全性が高まっています。基本的に保証されています。したがって、業界の焦点は徐々にコスト管理と効率改善に移ってきました。表1に示すように、200mm SiCは150mmに比べてエッジ利用率が高く、枚葉チップの生産量を約1.8倍に高めることができます。技術が成熟すると、単一チップの製造コストを 30% 削減できるようになります。 200mmという技術的ブレークスルーは「コスト削減と効率向上」の直接的な手段であり、我が国の半導体産業が「並走」、さらには「リード」するための鍵でもある。
Siデバイスプロセスとは異なり、SiC半導体パワーデバイスすべてはエピタキシャル層を基礎として処理および準備されています。エピタキシャルウエハはSiCパワーデバイスに欠かせない基礎材料です。エピタキシャル層の品質はデバイスの歩留まりを直接決定し、そのコストはチップ製造コストの20%を占めます。したがって、エピタキシャル成長は、SiC パワーデバイスにおける重要な中間リンクです。エピタキシャルプロセスレベルの上限はエピタキシャル装置によって決まります。現在、中国における150mm SiCエピタキシャル装置の現地化度は比較的高いが、同時に200mmの全体的なレイアウトは国際レベルに遅れをとっている。したがって、国内の第3世代半導体産業の発展のための大型で高品質のエピタキシャル材料製造の緊急のニーズとボトルネック問題を解決するために、本稿では、我が国で開発に成功した200 mm SiCエピタキシャル装置を紹介します。そしてエピタキシャルプロセスを研究しています。プロセス温度、キャリアガス流量、C/Si比などのプロセスパラメータを最適化することにより、濃度均一性<3%、厚さ不均一性<1.5%、粗さRa<0.2nm、致命的欠陥密度<0.3グレインを実現しました。独自に開発した200mm炭化ケイ素エピタキシャル炉により、150mmおよび200mm/cm2のSiCエピタキシャルウェーハが得られます。装置プロセスレベルは、高品質のSiCパワーデバイス準備のニーズを満たすことができます。
1 実験
1.1 原理SiCエピタキシャルプロセス
4H-SiCホモエピタキシャル成長プロセスには主に2つの重要なステップ、すなわち4H-SiC基板の高温その場エッチングと均一化学気相成長プロセスが含まれます。基板in-situエッチングの主な目的は、ウェーハ研磨後の基板の表面下のダメージ、残留研磨液、パーティクル、酸化層を除去することであり、エッチングにより基板表面に規則的な原子ステップ構造を形成することができます。現場エッチングは通常、水素雰囲気中で実行されます。実際のプロセス要件に応じて、塩化水素、プロパン、エチレン、シランなどの少量の補助ガスを追加することもできます。その場水素エッチングの温度は一般に1600℃以上であり、エッチングプロセス中の反応チャンバの圧力は一般に2×104Pa以下に制御される。
基板表面がその場エッチングによって活性化された後、高温化学蒸着プロセスに入ります。つまり、成長ソース (エチレン/プロパン、TCS/シランなど)、ドーピング ソース (n 型ドーピング ソース窒素など) 、p型ドーピングソースTMAl）、および塩化水素などの補助ガスは、大流量のキャリアガス（通常は水素）を通じて反応チャンバーに輸送されます。高温の反応室内でガスが反応した後、前駆体の一部が化学反応してウェーハ表面に吸着し、特定のドーピング濃度、特定の厚さ、より高品質な単結晶の均質な4H-SiCエピタキシャル層が形成されます。単結晶4H-SiC基板をテンプレートとして基板表面に作製します。長年にわたる技術探求を経て、4H-SiC ホモエピタキシャル技術は基本的に成熟し、工業生産に広く使用されています。世界で最も広く使用されている 4H-SiC ホモエピタキシャル技術には、次の 2 つの典型的な特徴があります。
(1) オフアクシス（＜0001＞結晶面に対して＜11-20＞結晶方向に向かう）斜めカット基板をテンプレートとして、不純物を含まない高純度単結晶4H-SiCエピタキシャル層を形成する。ステップフロー成長モードの形式で基板上に堆積されます。初期の 4H-SiC ホモエピタキシャル成長では、成長に正の結晶基板、つまり <0001> Si 面が使用されました。正極結晶基板表面の原子ステップ密度は低く、テラスが広い。二次元核生成成長は、3C 結晶 SiC (3C-SiC) を形成するエピタキシー プロセス中に容易に発生します。オフアクシスカットにより、4H-SiC<0001>基板表面に高密度で狭いテラス幅の原子ステップを導入することができ、吸着した前駆体は表面拡散により比較的低い表面エネルギーで効果的に原子ステップ位置に到達することができます。 。ステップでは、前駆体原子/分子グループの結合位置が独特であるため、ステップフロー成長モードでは、エピタキシャル層は基板のSi-C二原子層積層順序を完全に継承して、同じ結晶を有する単結晶を形成できます。基板としての相。
（２）塩素を含むシリコンソースを導入することにより、高速エピタキシャル成長を実現する。従来の SiC 化学蒸着システムでは、シランとプロパン (またはエチレン) が主な成長源です。成長ソース流量を増加させて成長速度を高める過程では、シリコン成分の平衡分圧が増加し続けるため、均一気相核生成によりシリコンクラスターが形成されやすくなり、シリコンの利用率が大幅に低下します。シリコン源。シリコンクラスターの形成は、エピタキシャル成長速度の向上を大きく制限する。同時に、シリコンクラスターはステップフロー成長を妨げ、欠陥核生成を引き起こす可能性があります。均質な気相核生成を回避し、エピタキシャル成長速度を高めるために、塩素系シリコンソースの導入が現在 4H-SiC のエピタキシャル成長速度を高める主流の方法となっています。
1.2 200 mm (8 インチ) SiC エピタキシャル装置とプロセス条件
この論文で説明されている実験はすべて、中国電子技術集団公司第 48 研究所が独自に開発した 150/200 mm (6/8 インチ) 互換のモノリシック水平ホットウォール SiC エピタキシャル装置で実施されました。エピタキシャル炉は、完全自動のウェーハのロードおよびアンロードをサポートします。図１はエピタキシャル装置の反応室の内部構造の模式図である。図1に示すように、反応室の外壁は水冷中間層を備えた石英ベルであり、ベルの内部は高純度の断熱カーボンフェルトで構成される高温反応室です。石英ベル全体は円筒形の誘導コイルで覆われており、ベル内の反応室は中周波誘導電源により電磁加熱されます。図1(b)に示すように、キャリアガス、反応ガス、ドーピングガスはいずれも反応室の上流から反応室の下流に向かって水平層流となってウエハ表面を流れ、テールから排出されます。ガスエンド。ウエハ内の均一性を確保するため、エアフローティングベースで搬送されるウエハはプロセス中常に回転させられます。
実験に使用した基板は、山西酒科クリスタル製の市販の150mm、200mm（6インチ、8インチ）<1120>方向4°オフ角導電性n型4H-SiC両面研磨SiC基板である。プロセス実験では、トリクロロシラン (SiHCl3、TCS) とエチレン (C2H4) が主な成長源として使用され、そのうち TCS と C2H4 はそれぞれシリコン源と炭素源として使用され、高純度窒素 (N2) は n-タイプのドーピングソースであり、希釈ガスとキャリアガスとして水素 (H2) が使用されます。エピタキシャルプロセスの温度範囲は1600〜1660℃、プロセス圧力は8×103〜12×103Pa、H2キャリアガス流量は100〜140L/minです。
1.3 エピタキシャルウェーハのテストと特性評価
フーリエ赤外分光計 (装置メーカー Thermalfisher、モデル iS50) および水銀プローブ濃度テスター (装置メーカー Semilab、モデル 530L) を使用して、エピタキシャル層の厚さとドーピング濃度の平均と分布を特性評価しました。エピタキシャル層の各点の厚さとドーピング濃度は、5 mmのエッジ除去を行ったウェーハの中心で主基準エッジの法線と45°で交差する直径線に沿った点を取得することによって決定されました。図 2 に示すように、150 mm ウェーハの場合は 1 本の直径線 (2 つの直径は互いに直交) に沿って 9 点が取得され、200 mm ウェーハの場合は 21 点が取得されました。 原子間力顕微鏡 (装置メーカー) Bruker、モデル Dimension Icon）を使用して、エピタキシャル ウェーハの中央領域とエッジ領域（5 mm エッジ除去）の 30 μm × 30 μm 領域を選択し、エピタキシャル層の表面粗さ。エピタキシャル層の欠陥は、表面欠陥検査装置 (機器メーカー China Electronics 社) を使用して測定されました。3D イメージャは、Kefenghua 社のレーダー センサー (モデル Mars 4410 pro) によって特性評価されました。
投稿日時: 2024 年 9 月 4 日